研究背景
增材制造（AM）技术在多个领域的应用日益广泛，可用于生产终端使用的多组件、多材料零件，满足如医疗、光学、航空航天等领域的制造需求。然而，当前 AM 技术存在诸多局限。其通过重复的 1D 或 2D 单元操作，以逐层制造的方式构建三维几何体，这种方法不仅限制了生产效率，还降低了表面质量，制约了几何形状的构建能力，增加了后处理需求，甚至可能导致机械性能的各向异性。
来自
加州大学伯克利分校机械工程系的
Hayden K. Taylor
教授团队
开发了一种计算轴向光刻（CAL）技术，通过对光固化材料旋转体进行动态光图案照射，实现三维物体内所有点的同步打印。该技术基于计算机断层扫描（CT）的图像重建原理，克服了传统逐层打印的弊端，可在高粘度流体甚至固体中打印，无需支撑结构，能在 30-120s 内完成各种厘米级物体的打印。相关工作以 “
Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction
” 为题发表在
《Science》
上。这一成果为解决 AM 技术面临的问题提供了新策略，有望推动该技术在多领域的进一步发展和应用。
研究内容
1. CAL体积制造原理与系统
通过将CT图像重建原理应用于光聚合过程，研究了如何实现任意几何形状的体素制造。利用数字视频投影仪输出计算好的强度调制投影，并与未固化光聚合物前体材料的旋转速率同步。结果表明，从多个角度叠加曝光能够产生足以使材料在所需几何形状中固化的3D能量剂量，可在
不到1分钟内形成3D几何形状
。
图1. CAL体积制造
视频1
2.CAL制造的多样零件展示
采用CAL技术和多种材料，研究了该技术在制造不同复杂程度、具有不同特征零件的能力。使用工程丙烯酸酯聚合物和明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶等材料进行打印。结果表明，
CAL可以制造精细特征小至0.3毫米的复杂晶格几何形状、无支撑结构的悬空零件、表面光滑的软结构等多种零件，且消除了分层，零件表面光洁度高
。
图2. CAL制备的零件
视频2
3. CAL投影计算相关研究
基于笛卡尔体素和标准立体光刻文件格式，运用指数拉东变换及其伴随的反投影算子等数学方法，研究如何计算投影强度以实现目标几何形状的打印。结果表明，通过
优化投影计算
，如使用滤波反投影公式计算优化投影，
能使打印几何形状更接近目标几何形状
，优化后的投影生成的剂量分布能更好地匹配目标。
图3. 投影计算
4. CAL围绕现有固体组件打印的能力
借助CAL系统架构和Radon变换的180° shift对称性，研究在复杂、预先存在的3D结构周围打印材料的可行性。将金属零件浸入光聚合物中进行旋转打印。结果表明，
CAL能够在凸形遮挡物周围打印定制几何形状
，成功在金属螺丝刀轴上合成聚合物手柄，为多材料制造和“套印”技术提供了可能。
图4. CAL实现围绕现有固体组件套印3D几何形状
视频3
研究结论
本研究开发的计算轴向光刻（CAL）技术，实现了通过体积化光聚合制造任意几何形状的目标。该技术相比传统逐层打印方法，具备诸多优势，如能规避支撑结构、可在高粘度流体或固体中打印、打印速度快几个数量级等。通过优化投影计算模型，可有效控制光剂量分布，使打印结构与目标几何形状高度吻合。同时，CAL 技术在多材料制造方面表现出色，不仅能在复杂预成型结构上实现套印，还拓宽了适用材料范围，尤其适用于高粘度材料。研究成果展示了 CAL 在快速制造复杂零部件、生物材料和光学器件等领域的巨大应用潜力。
挑战与展望
尽管CAL技术取得显著进展，但仍面临挑战。打印材料方面，对光的穿透性要求限制了部分材料的使用，开发新型光响应材料以适应不同应用需求是未来研究方向。设备成本和打印尺寸的限制也制约其大规模应用，需优化硬件配置以降低成本、扩大打印体积。展望未来，CAL有望与其他制造技术深度融合，拓展多材料制造的边界，实现更复杂功能部件的一体化制造。在医疗、航空航天等对零部件精度和功能要求极高的领域，CAL技术经进一步完善后，将有机会变革传统制造模式，推动产业向高精度、高性能方向发展 。
参考资料
：
https://doi.org/10.1126/science.aau7114
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来源：
EFL生物3D打印与生物制造
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